第5章信号的中间转换与记录2调制解调

广播电台的发射塔搭+载调制Modulation调制与解调0为什么要调制与解调由于传感器输出的电信号一般是频率较低的微弱信号，如果采用直接放大、传送，则在传输过程中容易受到工频（50Hz或60Hz的市电频率）及其他信号的干扰。为了实现这种缓变微弱信号的远距离传输，必须采用有效措施抑制干扰信号的影响。在实际工程应用中，往往采用先调制、后交流放大的方法，即在被测低频信号上叠加一高频信号，将它从低频区推移到高频区，因为高频信号不容易受到外界工频信号的干扰，由此可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。1要使信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化；同时信号的波长要与天线的长度相匹配。语言或音乐信号的频率太低，无法产生迅速变化的电场和磁场；相应地，它们的波长又太大，即使选用它的最高频率20000Hz来计算，其波长仍为15000m，实际上是不可能架设这么长的天线的。看来要把信号传递出去，必须提高频率，缩短波长。可是超过20kHz的高频信号，人耳就听不见了。为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号“搭乘”在高频载波上，也就是调制，借助于高频电磁波将低频信号发射出去，传向远方。

23在调制过程中，一般载波都采用高频正（余）弦波，则根据正（余）弦载波的三要素：幅值、频率和相位，随调制信号而变化的过程，可以分为基本概念调制:

使一个高频信号的某些参数在另一个缓变信号的控制下发生变化的过程；载波:参数希望改变的高频信号；调制信号：也叫控制信号，通常是缓变信号；已调波：经过调制以后的高频信号解调：从高频已调波中取出原调制信号的反调制过程。调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种调制方式。其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。4调幅就是用调制信号去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号线性函数变化。调幅与解调注意相位反向调制信号载波调幅波5调幅过程:用调制信号去控制高频载波信号的幅值，则调幅波为二、调幅与解调（定性分析）结果相当于在频域把原信号频谱图形由原点“搬移”到载波频率fz处，而幅值减半。这就是调幅过程

则调幅波的频谱分析如下傅里叶变换定理6则调幅波的频谱分析如下利用傅立叶变换得频移性质78对上式两边做傅立叶变换，得

同步解调过程：把调幅波xm(t)再次与载波z(t)信号相乘

9同步解调(a)调幅波频谱(b)载波信号频谱(c)同步解调后频谱(d)调制信号频谱0)(fXmf-mf1mf2ƒ)(fY0ƒ0f-0f½½10为保证频移后的频谱不失真，载波频率fz

必须高于两倍原信号中的最高频率fm，才能使已调制波仍能保持原信号的频谱图形，不致重叠。通常取数倍至数十倍的fm。Fz>10fm注意事项：当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠。11解调方法2：偏置调幅与包络检波

包络检波法要求调制信号x(t)具有单极性，即要求x(t)>0.如果x(t)是过零的双极性信号，可以通过偏置调幅的方法获得单极性的调幅波.过调失真12包络检波法的最大优点是不需要传送同步载波信号，检波电路非常简单。但是包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路

包络检波法的优缺点13解调方法3：(二极管相敏检波电路)相敏检波要求引入调制时的载波信号，与调幅波进行比较，既能反映原信号的幅值，又能反映其极性。

调制信号调幅波调制信号过零点处，高频载波相位有180°突变----载波反相点14差动相敏检波电路的工作原理参考：互感型（差动变压器式）传感器（P45）15当位移Δx>0时，Xm与Z同频同相，当Δx<0时Xm与Z同频反相当调制信号x(t)>0时（0～tl时间内），xm(t)与z(t)同相。若xm(t)>0，z(t)>0，则二极管D1、D2导通，在负载上形成两个电流回路：f—a—D1—b—e—g—f及f—g—e—b—D2—c—f，其中回路1在负载电容C及电阻Rf上产生的输出为回路2在负载电容C及电阻Rf上产生的输出为总输出：uf(t)=uf1(t)+uf2(t)=xm(t)++--B的二次边输出远大于A的二次边输出16若xm(t)<0，z(t)<0，则二极管D3、D4导通，在负载上形成两个电流回路：f—c—D3—d—e—g—f及f—g—e—d—D4—a—f，其中回路1在负载电容C及电阻Rf上产生的输出为回路2在负载电容C及电阻Rf上产生的输出为总输出：uf(t)=uf1(t)+uf2(t)=xm(t)17x(t)>0时(0~t1)，ym(t)与z(t)同相，检波器输出uf(t)>0x(t)<0时(t1~t2)，ym(t)与z(t)反相，检波器输出uf(t)<0112233t1t1132213t1t2t2t218由上述分析可知，x(t)>0时，无论调制波是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。同时可知，这种电路相当于在0～t1段对xm(t)全波整流，故解调后的频率比原调制波高一倍当调制信号x(t)<0时(tl—t2时间内)，xm(t)与z(t)反相，同样可以分析得出：x(t)<0时，不管调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与x(t)一致。同时，电路在tl～t2段相当于对xm(t)全波整流后反相，解调后的频率为原调制波的二倍。综上所述，调幅波经相敏检波后，得到一随原调制信号的幅值与相位变化而变化的高频波uf(t)，该波形的包络线即是所需要的信号，再经过适当频带的低通滤波，即可获得与调制信号一致的信号。19动态电阻应变仪20调频是用低频调制信号去控制高频载波的频率变化，使其随调制信号的幅度变化而变化。由于调频比较容易实现数字化，特别使再传送过程中不易受到干扰，所以在测量、通信和电子技术的许多领域中得到了越来越广泛的应用。调频波与调制信号幅值的关系调频与解调21调频原理x(t)=X0cos2πƒmt调制信号

载波信号

调频时z0和φ0保持不变,调频波的瞬时角频率f(t)围绕着f0随调制信号作线性的变化，即f(t)=f0+Δf=f0+KFMx(t)=f0+(KFMX0)cos2πƒmtKFM为频率调制指数，或称频率调制灵敏度z(t)=Z0cos(2πf0t+φ0)调频信号的瞬时相位φ(t)是瞬时角频率2πf(t)对时间的积分,即得到调频波的瞬时表达式22调频波的解调可采用鉴频器，下图为其等效框图

首先对调频波xFM(t)进行微分表明，经过微分后，其幅度和频率都携带了调制信号x(t)的信息，因此可以用包络检波器检出幅值的包络线信号

隔去直流分量后，可得到信号它正比于测试信号x(t),也即完成了解调（鉴频）的过程。23测量小范围变化参数时，可采用谐振调频方式，即将电容C或电感L直接作为LC自激振荡器谐振回路的一个调谐参数，使振荡器按照被测信号规律变化。振荡器的初始频率：

谐振电路作调频器变容二极管调制信号

谐振电路谐振调频与鉴频24电容变化为ΔC，则此时振荡频率为当ΔC<<C0时，对上式进行线性化处理，可以得到f与ΔC之间的线性关系因ΔC变化引起的载波频率变化为可见，在小范围内，振荡器输出频率与被测信号呈近似线性关系，从而实现了调频。25

振幅鉴频器调频波（等幅波）所传送的调制信号信息包含在高频振荡的频率变化之中，所以鉴频器输出的信号必须与输入调频波的瞬时频率保持一致，即成线性关系。描述这种变换关系的特性曲线称为“鉴频特性曲线”，它是鉴频器的输出电压uo与输入调频信号的频偏Δf（或瞬时频率f）之间的关系曲线谐振特性曲线1）Δf＝f－fc＝0时，调频信号的瞬时频率f=调频信号的中心频率（载频）fc，对应的鉴频输出电压uo＝0；2）当调频信号的载频fc受调制信号控制时，频偏Δf按一定的变化规律在Δf＝0的两边正、负范围内变动，鉴频器就检出了调频信号中所包含的频率变化信息，从而还原了原始调制信号（振幅鉴频）26频-幅转换原理波形等幅调频波的频率等于回路谐振频率，线圈中的耦合电流最大亚谐振区27

VD、R、C2：组成大信号包络检波器（功能是将调频-调幅波u2变成调制信号输出）。（1）当f＞fC时，回路失谐↓→输出电压振幅↑；（2）当f＜fC时，回路失谐↑→输出电压振幅↓；（3）当调频波的瞬时频率随调制信号变化时，使回路输出电压振幅变化，这时的并联回路L1C1电压u2是一个调频-调幅波，它的包络变化规律已反映了调制信号的变化，通过包络检波器的振幅检波便可还原出调制信号。调频波－>调频调幅波－>幅值检波对不同频率信号呈现不同的阻抗